Unidad 8. Movimiento y fenómenos ondulatorios
Olitas vienen y van…
“El navegante tiene la clara impresión de que el océano está hecho de ondas más que de agua”
Arthur Eddington
8.1. Conceptos previos
- Movimiento.
- Energía.
- SIU
8.2. Objetivos
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de movimiento ondulatorio.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de movimiento vibratorio.
- Que el/la alumno/a conozca las magnitudes y parámetros asociados al movimiento ondulatorio.
- Que el/la alumno/a conozca los distintos tipos de ondas según los diversos criterios de clasificación.
- Que el/la alumno/a conozca los fenómenos ondulatorios: reflexión, refracción, interferencias.
8.3. Criterios de Evaluación
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Tema I. Movimiento
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1. Puedo definir el movimiento ondulatorio.
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2. Puedo definir el movimiento vibratorio.
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3. Puedo explicar el concepto frecuencia.
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4. Conozco qué es el hertzio.
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5. Puedo definir el concepto de onda mecánica.
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6. Puedo definir el concepto de onda electromecánica.
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7. Puedo definir el concepto de onda transversal.
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8. Puedo definir el concepto de onda longitudinal.
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9. Puedo definir el concepto de onda unidimensional.
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10. Puedo definir el concepto de onda bidimensional.
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11. Puedo definir el concepto de onda tridimensional.
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12. Puedo definir el concepto de amplitud de onda.
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13. Puedo definir el concepto de elongación.
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14. Puedo definir el concepto de periodo en una onda.
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15. Puedo definir el concepto de velocidad de prolongación.
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Tema II: Fenómenos ondulatorios
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1. Puedo explicar el fenómeno de la reflexión.
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2. Puedo explicar el fenómeno de la refracción.
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3. Conozco la ley de Snell.
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4. Puedo explicar de Snell.
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5. Puedo explicar el fenómeno de las interferencias.
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8.4. Materiales
Cuerda, pañuelo, plato con agua, recipiente transparente con agua, puntero láser, vaso de agua, lapicero.
8.5. Explicación
Olitas vienen y van…
En una tormenta de verano, en nuestro paseo por el puerto, nos gusta ver cómo las olas golpean con gran energía el rompeolas. Los barcos sorprendidos por la tormenta maniobran para resguardarse.
Observamos cómo un barquito sube y baja, al vaivén de las olas.
Analicemos este fenómeno.
Mientras que las olas se están desplazando horizontalmente hasta chocar con el rompeolas, el barquito sube y baja.
Una experiencia que podremos realizar todos (o hemos realizado ya muchas veces), es la siguiente:
Una cuerda y un punto donde atarla es todo lo que necesito para experimentar.
Atamos una cuerda a una farola, la sujetamos firmemente por el extremo opuesto y subimos y bajamos rápidamente el brazo. Veremos que se producen “olas” u ondas en la cuerda. Si en esta atáramos fuertemente un pañuelo, veríamos que el movimiento del pañuelo es de subida y bajada, al igual que hacía el barquito en el ejemplo anterior.
Si atamos fuertemente un pañuelo en un punto de la cuerda,
¿cómo es su movimiento?
Este tipo de movimiento se llama movimiento ondulatorio.
Retomando el ejemplo del barquito, observamos que, mientras la energía se propaga hasta el puerto (no os pongáis en medio, no sea que os transfiera parte de su energía), el barquito está realizando un movimiento de vaivén, también llamado movimiento vibratorio. Dicho de otra forma, en un movimiento ondulatorio se produce un transporte de energía, no de materia.
El barquito realiza oscilaciones en torno a una posición, llamada de equilibrio, que sería la correspondiente a la posición en la que se encontraría si el mar estuviera en calma:
El barquito realiza oscilaciones en torno a la posición de equilibrio.
La rapidez con la que oscila el barquito, está relacionada con la frecuencia número de oscilaciones que realiza por segundo. Su unidad en el Sistema Internacional es el hertzio, Hz (o inverso de segundo).
Este tipo de ondas que estamos utilizando como ejemplo, se denominan ondas mecánicas, ya que necesitan un medio material para su propagación: el agua, una cuerda, el aire… veremos que además hay ondas que se propagan en el vacío, y reciben el nombre de ondas electromagnéticas.
¡Ahora comprendo por qué cuando golpeo una mesa, los objetos situados sobre ella vibran! La perturbación que origina el golpe se propaga por la mesa haciendo vibrar cada punto de esta. Incluso hace vibrar el aire… por eso oigo el golpe.
¡Dime cómo vibras y te diré qué onda eres!
En los ejemplos que hemos tratado, hemos visto que tanto el barquito como el pañuelo atado a la cuerda, vibraban en una dirección perpendicular a la del movimiento de propagación de la onda. Estas ondas se llaman ondas transversales.
Pero no siempre ocurre así: si golpeamos un sólido, un bloque de acero, de hormigón, o la mesa, la perturbación provocada se va propagando de unas moléculas a otras, de forma que la vibración de estas se produce en la misma dirección en la que se propaga la onda. Estas se conocen con el nombre de ondas longitudinales.
Por otro lado, la perturbación producida por una cuerda de guitarra se produce a lo largo de una línea: sería un ejemplo de onda unidimensional. Mientras que si lanzamos una piedrecita en la superficie de un estanque, tendremos como resultado ondas propagándose sobre dicha superficie, dando lugar a ondas bidimensionales.
¿En cuántas dimensiones se propaga la perturbación producida sobre la superficie de agua?
Cuando hablamos, la perturbación que producimos en el aire se propaga en todas las direcciones. Es un ejemplo de onda tridimensional.
Aunque no podemos ver las ondas sonoras, nos situemos donde nos situemos, oiremos o sentiremos la perturbación. ¿En cuántas dimensiones se está propagando esta?
Retrato de una onda
“Fotografiar” nuestra onda modelo, barquito incluido, nos permite definir algunas características de esta onda:
Congelamos la imagen para analizar la onda.
La amplitud, sería la máxima separación de un punto de la onda respecto de la posición de equilibrio. En este caso, la máxima separación del barquito respecto a la posición que tendría si no hubiera olas. La elongación representaría la distancia del barquito, en cualquier momento, a la posición de equilibrio. La longitud de onda vendría determinada por la distancia entre las crestas de dos olas consecutivas (o la distancia entre dos puntos próximos que se encuentran en el mismo estado de vibración).
El periodo vendría dado por el tiempo que tarda el barquito desde que lo vemos en la cresta de la ola, hasta que vuelve a encontrarse en esa posición; es inverso de la frecuencia, de la que ya hemos hablado.
Y la velocidad de propagación, que nos indica la rapidez con la que se propaga la energía de la onda.
Fenómenos ondulatorios
Cuando una onda se propaga, puede tropezarse en su trayectoria con medios materiales distintos. ¿Cómo se comportará la onda en esta situación?
Pensemos que la velocidad de propagación de una onda depende, no solo de las características de la propia onda (su naturaleza, su frecuencia…), sino también del medio a través del cual se propaga.
¿Qué ocurre si una onda choca contra la superficie de separación de dos medios distintos?
Supongamos por ejemplo que damos un grito desde el borde de la piscina. Parte de la energía de esta onda “rebota” en la superficie volviendo otra vez al aire.
Cuando una onda choca contra una superficie, rebota, al menos en parte.
Ya hablamos acerca de este fenómeno, la reflexión, en la Unidad 1 de este libro. Y comentamos también que, usamos una línea, rayo, para representar la trayectoria de estas ondas.
Representamos la trayectoria de una onda mediante rayos
De forma que, la reflexión de una onda cumple las siguientes leyes:
Reflexión de una onda.
- El ángulo que forman los rayos incidente y reflejado con la normal a la superficie son
- El rayo incidente, el reflejado y la normal se encuentran en el mismo
Por otro lado, una fracción de energía de la onda penetrará en el segundo medio (el agua). Este fenómeno se llama refracción: el rayo que representa la propagación del sonido, se desvía respecto de la dirección de incidencia. Dependiendo de si la velocidad de propagación en el segundo medio es mayor o menor, se desviará alejándose de la normal o acercándose a ella.
En nuestro caso, como el sonido se propaga más rápidamente en el agua (las partículas de agua están más próximas entre sí que las de aire, por ello transmiten la perturbación a sus vecinas más rápidamente), este rayo se alejará de la normal tras penetrar en ella.
Parte de la onda atraviesa la superficie y se transmite al otro medio.
La relación existente entre los ángulos que forman los rayos incidente y refractado con la normal viene dada por la ley de Snell, y depende de la relación entre las velocidades de propagación de las ondas en ambos medios.
Otro fenómeno ondulatorio son las interferencias. Se produce cuando se superponen dos ondas de idéntica frecuencia. Dependiendo de cómo se encuentran las ondas en el momento de superponerse puede ocurrir que en algunos puntos la amplitud de la onda resultante crezca hasta la suma de las amplitudes, mientras que en otros la amplitud sea la resta, llegando a anularse si las ondas originales son de igual amplitud.
Interferencia constructiva
Interferencia destructiva
Prescindimos de profundizar más, a pesar de lo interesante que resultaría, pero quizá sería excederse en los contenidos que deseamos incorporar. Sin embargo, reiteramos la invitación a que sigas investigando y buscando información.
8.6. Actividades de generalización
Los alumnos prepararán una presentación elaborando un poster previo en la que plasmarán los conceptos y fenómenos descritos. Cada alumno expondrá al resto del grupo su presentación. Los demás alumnos aportarán sugerencias y rectificarán posibles errores con ayuda del profesor.
Durante la exposición, los alumnos utilizarán sus propios ejemplos y modelos para representar los fenómenos descritos.
